使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对三维测量的方法和系统的制作方法
【专利说明】使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对H维测量的方法和 系统
[0001]本申请是国际申请日为2011年1月28日，进入国家阶段日为2012年8月13日的名称 为"使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对=维测量的方法和系统"的中国专利申请 201180009341 .X的分案申请。
[000^ 相关申请
[0003] 本申请要求W下各项的优先权和权益：2010年2月12日提交的，标题为"Method and System for Absolute Three-Dimensional Measurements Using a Twist-Insensitive Shape Sensor(使用扭转不敏感的形状传感器进行绝对S维测量的方法和系 统 r 的美国临时申请No. 61/304,094,其发明人为Giuseppe M. Pri SCO、Theodore W.Rogers、Vincent Duindam、Myriam J.Curet、Catherine J.Mohr、Katherine D.Stoy，通 过引用将其全文结合在此。
技术领域
[0004] 本发明的多个方面设及感知信息来表征微创手术器械，并且更具体地设及用来获 得微创手术器械的形状信息和绝对=维姿态信息的形状传感器。
【背景技术】
[0005] 微创手术中的一个重发性问题是确定手术中使用的一个器械的姿态和/或形状。 而且，确定病人体内的解剖学位置W及将MRI图像或其他图像与在手术过程中获得的病人 图像相关联需要=维的测量。
[0006] 目前用来获得关于柔性手术器械的形状信息的方法包括基于相机和视觉的方法、 基于惯性传感器和巧螺仪传感器的方法、W及基于电磁场传感器的方法。而且，存在可W触 及两个不同的位置并且确定运两个位置之间的相对关系的机械系统。
[0007] 运些方法在感知精度和准度、对环境条件的敏感性、实际应用中的浸入力方面受 到限制，并且一般仅可W提供手术器械的某个离散数目的点的位置信息。而且，所测量的距 离是相对距离而非绝对距离。
[000引已知光纤形状传感器。参见例如美国专利号5,798,521(1997年2月27日提交）、美 国专利号US 6，389，187B1 (1998年6月17日提交）、美国专利申请公开号US 2006/0013523A1 (2005年 7 月 13 日提交）、W及Roger G.Duncan et 日1，畑 aracterization of a Fiber-Optic Shape and Position Sensor,Smart Structures and Materials 2006：Smart Sensor Monitoring Systems and Applications(D.Inaudi et al.eds.)， 6167Proceedings of SPIE 616704(2006年3月16日），将所有运些通过引用结合在此。光纤 形状传感器已经被用于感知微创手术器械中的接头角度。参见例如美国专利申请公开号US 2007/0156019 Al (2006年7月20提交）W及NASA Tech Briefs ,NASA-Inspired Siape-Sensing Fibers Enable Minimally Invasive Surgery(2008年2月I日），http :// WWW. techbriefs. com/content/view/2585/，二者均通过引用结合在此。
[0009] 典型地，光纤形状传感器通过光时域反射测量术(OTDR)或通过光频域反射测量术 (OFDR)来工作。大多数途径使用了一种背散射方法，该方法测量由光纤形状的变化所造成 的背散射光的变化。使用的散射原理包括瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射W及巧光散射。 在形状感知传感器中还使用了光纤布拉格光栅W及克尔效应。一些光纤布拉格光栅形状传 感器对扭转(twist)是不敏感的。因此，如果该形状传感器被扭转，则使用该扭转的形状传 感器获得的姿态信息是不正确的。
[0010] 对于形状感知还使用了其他技术。例如，将电磁场与安装在内窥镜上的传感器结 合使用W确定一个内窥镜的位置。参见美国专利申请公开号2007/0249901 AU2006年3月 28 日提交，披露了 ('Instrument Havin邑 Radio Frequency Identification Systems and Methods for Use(具有射频标识系统的器械和使用方法n，将其通过引用W其整体结合 在此。而且，已经使用了压阻式柔性形状传感器的阻力变化来测量形状变化。
【发明内容】
[0011] 在一个方面，一种设备包括一个参照夹具。该参照夹具包括一个接头、并且在一个 方面包括追踪该接头运动的一个接头追踪器。该设备还包括一个手术器械。一个系链被连 接在该接头与该手术器械之间。一个形状传感器从该参照夹具延伸穿过该接头、穿过该系 链、并且进入该手术器械中。该形状传感器基本上没有扭转/扭绞(twist)。
[0012] 来自该形状传感器的信息与来自该接头追踪器的信息相结合提供了相对于该参 照夹具的绝对=维信息，即，提供了在一个固定的通用参照系内的绝对=维信息。在该固定 的通用参照系内的运种绝对S维信息与来自传统方法的信息形成了对比，所述传统方法提 供一个手术器械的多个元件之间的相对距离、多个手术器械之间的相对距离、或进行医疗 手术的病人体内的多个位置之间的相对距离。
[0013] 在固定的通用参照系内获得绝对的=维形状和姿态数据的能力在医疗手术中提 供了新水平的能力。此外，在该固定的通用参照系内的绝对的=维姿态数据(位置和取向） 允许记录例如在该固定的通用参照系内的不同的图像，并且叠加所需要的图像W促进一个 更熟悉的手术过程。
[0014] 在一个方面，该接头仅具有一个自由度。例如，该接头是一个滚动接头并且运一个 自由度是滚动。在另一个例子中，该接头包括一个球和螺杆接头/螺旋接头(screw ioint)。 在另一个方面，该接头具有多个自由度，其中包括该一个自由度。
[0015] 对该接头或接头组合中的自由度数目进行选择W辅助外科医生移动该手术器械。 手术器械与参考结构之间的扭转刚性的系链可W抑制/限制外科医生操纵该手术器械。因 此，在参考结构中使用一个接头或接头组合来辅助W该手术器械的所有自由度来操纵该手 术器械。在该系链没有抑制该手术器械的操纵或者运种抑制作用在手术器械的使用中不显 著的方面，可W在参考结构中使用具有零个自由度的接头并且不需要接头追踪器。
[0016] 该系链限定了沿着该系链的纵向轴线延伸的一个内腔，并且该形状传感器延伸穿 过该内腔。在一个方面，该系链是扭转刚性的。
[0017] 在另一方面，一个衬里延伸穿过了该系链中的内腔。该衬里包括一个衬里内腔并 且该形状传感器延伸穿过了该衬里内腔。该衬里由一种材料制成，使得该形状传感器在该 衬里内自由转动。在一个方面，该材料是一种氣化聚合物。
[0018] 在另一方面，一个处理器对来自连接到参照夹具上的接头追踪器的信息进行处理 W产生第一姿态。该接头追踪器测量了连接在该系链上的接头的运动。该系链将该接头连 接至手术器械。该参照夹具被固定到一个位置W限定一个用于微创手术的固定的通用参照 系/参照框架。
[0019] 该处理器还处理来自形状传感器的信息W产生第二姿态信息，该形状传感器延伸 穿过该接头和该系链。该处理器使用该第一姿态信息和第二姿态信息来在该固定的通用参 照系内产生该手术器械的近端部分的绝对=维姿态。
[0020] 在一个方面，该形状传感器延伸至该手术器械的一个远端部分。该处理器对来自 该形状传感器的运个区段的信息进行处理W产生第=姿态信息。该处理器使用该第一姿态 信息、第二姿态信息W及第=姿态信息来在该固定的通用参照系内产生该手术器械的远端 部分的绝对=维姿态。该处理器还在该固定的通用参照系内产生了该手术器械的形状。 [0021 ]在一个方面，该手术器械是一种柔性手术器械，如内窥镜。在另一方面，该手术器 械是一种插管。在又一个方面，该手术器械是一种蛇形机器人手术器械，运是柔性手术器械 的一个例子。
[0022] 在另一方面，一种方法将手术器械连接到系链的远端上。该系链的一个近端被连 接到一个参考结构的接头上。该参考结构还包括测量该接头的运动的接头追踪器。运种方 法使形状传感器延伸穿过该接头和该系链而进入该手术器械中。该形状传感器提供了信 息，用于相对于该参考结构来确定该手术器械的一个部分/部件的绝对=维姿态。
[0023] 在一个方面，运种方法中的手术器械是一种插管并且该方法还包括将该参考结构 连接到支撑遥控操作微创手术系统的操纵器的臂上。
【附图说明】
[0024] 图1是一种微创手术系统的一部分的图解视图，该系统包括多个元件用来在固定 的通用参照系内产生绝对=维姿态和形状数据从而表征手术器械。
[0025] 图2A是具有第一非圆形截面的系链和形状传感器的截面视图。
[0026] 图2B是具有第二非圆形截面的系链和形状传感器的截面视图。
[0027] 图3是参照夹具的一个方面的透视截面图。
[0028] 图4A是一种遥控操作的微创手术系统的一部分的图解视图，该系统包括多个元件 用来在固定的通用参照系内产生绝对=维姿态，用于多个手术器械。
[0029] 图4B是一种遥控操作的微创手术系统的一部分的图解视图，该系统包括多个元件 用来在固定的通用参照系内产生绝对=维姿态和形状数据，用于另外多个手术器械。
[0030] 图5是光纤忍的图解视图。
[0031] 图6是光纤的近端的图解视图，具有示意性的参照系。
[0032] 图7是一个图解视图，其图示了在用于形状感知的光纤中多个区段开始位置处的 参照系。
[0033] 在运些图中，一个参考号的第一位表示带有该参考号的要素首次出现的图。
【具体实施方式】
[0034] 本发明的多个方面包括一种设备100,该设备进而包括W下